L.A.R.S. (Sistema de llançament i recuperació): 7 passos (amb imatges)

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:12

Visió general

Aquest projecte és un sistema de llançament i recuperació (LARS) format per diversos models i conjunts. Tots junts, representen un sistema de recuperació adequat per a un coet d’aigua de baixa altitud. El coet es compon de diverses seccions, fabricades a partir d’ampolles SmartWater d’1,5 litres.

Tot el sistema consta de diversos elements:

• Plataforma de llançament
• Cos principal
• Sistema de recuperació

Propòsit i conductors

La inspiració d’aquest projecte (com la majoria dels meus projectes) es va originar amb els meus nebots. Una història llarga, fa anys (quan els meus nebots no eren tan grans) volien fer focs artificials el dia de la Independència. Normalment, no estava tan malament, però aquell any era diferent: teníem previst un llarg cap de setmana a la cabana dels seus avis, a McCall, Idaho. Si mai no heu estat a Idaho, és molt sec. Si mai heu estat a McCall, Idaho: és molt sec i hi ha MOLTS arbres, arbustos, herba i altres combustibles perfectes per als incendis forestals. Com que ja era un any increïblement sec i l’Ós Smokey tenia el cartell de risc d’incendi “ALT” fora de l’oficina del servei forestal, vaig buscar una alternativa.

Al mateix temps, ho vaig veure com una oportunitat per demostrar el que intento impressionar a ments científiques joves: DESTACAR-SE. Penseu fora de la caixa i trobeu la solució a múltiples problemes. Pot destacar com un polze adolorit al principi, però les millors idees solen ser.

A més, com resulta, sóc SUPER barat. No tant per estalviar diners, però només veig tantes coses que es poden fer amb coses normals. La majoria de les vegades, coses normals que s’han de fer d’un sol ús.

Seguretat

Seria desconsiderat si no mencionés això primer; Estic constantment recordant als meus nebots "Seguretat, primer". Això s’adapta a l’objectiu general ja que la propulsió principal és aigua i aire. Viouslybviament, això no representa cap perill greu d'incendi.

A mesura que vaig construir més seccions del sistema de propulsió, això va afegir volum per a més aire comprimit (és a dir, més propelent). Per descomptat, això és directament proporcional a l’altitud màxima assolible. Continuar amb aquesta lògica una mica més enllà: sí, això significava una velocitat MOLT MÉS PERILLOSA en tornar a la terra.

La comprensió del perillós que es podria fer això es va fer palès després que tinguéssim el primer llançament amb èxit d’un primer prototip, amb diverses seccions del fuselatge. Mireu Rocket Boys a YouTube.

Cost

És important minimitzar el cost de qualsevol construcció. En el meu escenari, vaig pensar que era igualment important garantir que el cost de cada ús fos mínim. Vull dir, vaja, qui vol dedicar molta feina a un sistema d’ús únic?

Sempre que fos possible, utilitzava brossa: ampolles d’aigua que anaven a les escombraries, una antiga funda de vol de la botiga d’excedents de l’exèrcit, un paraigua trencat de la cadira d’una botiga d’articles esportius locals, una mànega d’aire de Harbor Freight i fins i tot una cap amunt d’aspersors: bàsicament, m’agrada ensenyar als nens que no hi ha escombraries; és un producte que necessita ser reutilitzat.

Només pregunta

En molts casos, les coses que voleu utilitzar no són necessàriament "a la venda" i, si ho són, potser no paguen la pena el seu preu. El paraigua verd original que vaig fer servir per al paracaigudes estava en un article trencat de 28 dòlars en una botiga. El vaig portar al taulell i vaig dir que els donaria els 4 dòlars que tenia. Els vaig demostrar que estava trencat de totes maneres i vaig explicar que només volia el material del paraigua. Voila! a l'instant vam tenir un paracaigudes.

Reutilització

És gairebé impossible parlar de reduir els costos del material sense considerar també com el disseny del producte es presta a la reutilització. Si no poguéssim utilitzar el coet fàcilment una vegada i una altra, és possible que també estiguem incendiant el bosc amb coets de botella i M-80.

Portabilitat

Després de només 1 llançament de prova del nostre primer prototip, em vaig adonar que tot el sistema de coets havia de ser el més compacte possible. Al mateix temps, volia prestar-lo a tothom que el volgués provar. No volia escriure un munt d’instruccions detallades de muntatge ni llogar una furgoneta mòbil per al transport.

Al final, vaig utilitzar la caixa on emmagatzemava totes les parts com a plataforma de llançament. Unes poques modificacions van permetre fixar els accessoris del compressor d’aire, la mànega i la vàlvula de retenció, deixant a l’espai molt espai a totes les seccions dels sistemes de propulsió / recuperació de coets.

… Per descomptat, després del llançament més recent, em vaig adonar que tot el sistema podia ser més portàtil, ja.

Subministraments

Plataforma de llançament

• 1 x contenidor d'enviament excedent de l'exèrcit antic

  • Crec que ho vam recollir a The Reuseum: un lloc fantàstic per comprovar si sou a Boise, Idaho;)
  • Alerta de spoiler: en realitat no emmagatzemen aquest tipus de contenidors de l'exèrcit des que van canviar d'ubicació.
• 1 x mànega de compressor d'aire (~ 15 '… o la distància que us sembli segura)

• 1 x mànega de compressor d'aire (~ 2 '… això només entra a la caixa)

  • Les dues mànegues anteriors les vaig construir a partir d’una mànega de 5 dòlars que vaig trobar en una venda d’aparcament de Harbor Freight. Semblava que explotés / partís la carcassa de goma on algú deixés que es fes massa calent / fos. A part d’això, va ser fantàstic per al que necessitàvem
  • Si retalleu / empalmeu alguna cosa antiga, podeu trobar peces fantàstiques i molt barates a Harbor Freight.
• 1 x cap vàlvula de retorn: aquí en teniu una

  Hi ha moltes opcions. Aconsegueix alguna cosa barata

• 1 colze de 90º: passa del fil del compressor de ¼ al fil de la mànega de jardí (una cosa així)

  • M’oblido d’on he aconseguit això, però, atès que es tracta d’un públic súper intel·ligent (i súper perdonador), suposo que es pot esbrinar com passar d’un fil a l’altre després d’uns minuts a D&B o TSC.
  • Potser combinar-ho amb alguna cosa així.

• 1 x adaptador mascle de compressor d'aire roscat i rotatiu (hem reutilitzat alguna cosa així, de Harbor Freight)

  S'utilitza per fixar la peça curta de mànega a l'interior del contenidor sobrant

• 1 x adaptador femení Gardena

Fuselatge

• 12 ampolles d'aigua intel·ligents (1,5 litres)
• 4 ampolles d'aigua Essentia (1,5 litres)
• 1 x broquet personalitzat (és a dir, fil d'ampolla de 2 litres imprès en 3D en un connector de mànega mascle Gardena)
• 1 x tub d'adhesiu Sikaflex (com aquest segellant de construcció)

• 1 x Paper de cinta adhesiva (o cinta adhesiva)

  Vaig utilitzar una combinació de cinta adhesiva blanca i negra a les seccions del fuselatge. Vaig pensar que donava al coet una aparença més de l’època Apollo, ja

Sistema de recuperació: no imprès

• 1 x Sprinkler emergent (l'hem utilitzat, de Lowe's)
• 1 x paraigua vell
• 1 x pilota de ping-pong
• 1 x ampolla de primavera de Polònia (o alguna altra ampolla amb forma més semblant al nas d'un coet; oblido la marca exacta de la que hem utilitzat)
• 1 x aigua seltzer de la marca Kroeger (és a dir, també es ven a botigues com QFC o Fred-Meyer)
• 1 x pal de tanca elèctrica de fibra de vidre (en teníem aquest, crec que era de D&B Supply)

Sistema de recuperació: circuit

• 1 x Arduino Pro Mini
• 1 x adaptador de presa DIP de 24 pins (enllaç)
• 1 regulador de voltatge de 5V (enllaç)
• 1 x brunzidor piezoelèctric (enllaç)
• 1 x 220Ω resistència (enllaç)

• 1 x mòdul MPL3115A2

  • L'utilitzat aquí ja no està disponible
  • Vaig començar a treballar en una alternativa que registra dades i utilitza un giroscopi juntament amb el baròmetre: el codi de Github (vegeu lars) encara hauria de ser aplicable si teniu una alternativa

• 1 interruptor de bloqueig de polsador

  Si no us n'heu adonat, sóc un fan de Tayda per a coses petites en petites quantitats per un preu petit

Pas 1: llançador

La plataforma de llançament és un equipament multifunció. Fet d’una antiga caixa d’equips que vaig trobar al famós Reuseum de Boise, té tres funcions:

1. Mecanisme d'alimentació (… per falta d'un terme millor)
2. Emmagatzematge de les peces del cos del coet
3. Plataforma de llançament

Alimentació / ompliment

Abans de parlar d’alimentar el coet, és important dedicar-se un minut a pensar en els principis científics bàsics que el sustenten. De Wikipedia:

Un coet aquàtic és un tipus de coet model que utilitza aigua com a massa de reacció. L’aigua és forçada per un gas a pressió, normalment aire comprimit. Com tots els motors de coets, funciona segons el principi de la tercera llei del moviment de Newton.

Desglossant-la una mica, la massa de reacció és simplement una cosa que s’utilitza per empènyer-la. Impulsa contra el terra i l’aire contra l’aigua. L’aire també empeny contra l’ampolla. L’acció és l’aire en expansió, la reacció és un objecte amb menys massa (és a dir, el coet botella) que s’allunya de la plataforma de llançament.

La pressió del coet ha de ser un procés additiu. Requereix empènyer aire al vaixell sense deixar escapar aire ni aigua. Això s'aconsegueix utilitzant un petit dispositiu anomenat "vàlvula de retenció" (de vegades anomenada vàlvula de retenció).

El coet s’uneix mitjançant un connector Gardena Hose a la plataforma de llançament. La part inferior del coet té un broquet amb un contorn que coincideix amb el Connector Tap de Gardena. Vaig modelar un broquet a Fusion 360 combinant el perfil del Connector Tap Gardena amb els fils d’una ampolla d’1,5 L.

La mànega que ho connectava tot es va treure d’una mànega d’aire rebentat. El vaig trobar a un aparcament de Harbour Freight per un parell de dòlars; semblava que algú el va retornar perquè es va obrir. Quan ho vaig veure, vaig saber que calia unir-se. Vaig pensar que seria un bon moment per tallar una peça curta per fixar-la permanentment a la plataforma de llançament.

Millores futures

M'agradaria comprar o imprimir en 3D algunes peces addicionals. M’agradaria que els punts de connexió de la caixa quedessin a l’alçada de la resta de la superfície de la caixa. Amb aquestes petites rosques de mànega de jardí i la connexió del compressor d’aire que sobresurten, és difícil emmagatzemar-les sense fer-se malbé. A més, és propens a danyar-se quan es transporta a un lloc de llançament.

Emmagatzematge

Quan es desmunta, les seccions del cos del coet encaixen molt bé a la caixa. A més, em quedava prou espai per mantenir el conjunt de recuperació també allà. Guardo aquestes parts en una caixa separada per si les altres peces es movien i destrossaven les parts impreses en 3D.

Plataforma de llançament

Quan sigui el moment de llançar el coet, necessitem alguna cosa que ens ajudi a apuntalar el coet. A més, és imprescindible que comenci en la direcció correcta (és a dir, la primera llei del moviment de Newton). Per aconseguir-ho, he utilitzat dues peces de canal de retall d'alumini connectades per dues peces impreses en 3D.

El suport inferior imprès en 3D té espai per a una femella hexagonal de ¼ . He utilitzat aquesta mida ja que és un estàndard per muntar accessoris a un trípode de la càmera (en parlaré en un segon). Un cop vaig escampar els costats del niló femella hexagonal, s’adapta perfectament al suport.

El meu germà és un gran fotògraf a l’aire lliure i, com passa amb tots els experts en el seu camp, trenca o millora el seu equipament. Mentre era a casa seva, vaig notar un trípode a les escombraries. L'únic problema amb això va ser l'ajust vertical de l'alçada. A part d’això, era un bon trípode. No sabia per a què l’utilitzaria en aquell moment, però tenia moltes parts fantàstiques.

Quan vaig començar a construir la plataforma de llançament de coets, vaig arribar a un punt que necessitava quelcom portàtil per aguantar els rails de guia. BOO YA: reutilitza el trípode trencat. S'ajusta molt bé en diverses direccions, ideal per a terrenys irregulars al lloc de llançament. També s’empaqueta i s’adapta bé a la caixa de llançament.

També vaig dissenyar i vaig imprimir en 3D una peça que s’ajustava entre els rails i s’enganxava al cos principal del coet. Aquesta peça en particular manté el coet a prop dels rails i no permet que es bolqui. Ho vaig fixar al cos principal amb una cinta de muntatge extrema 3M 414 Scotch®. Quan vaig dissenyar la peça, vaig introduir dues taquilles per on va la cinta d’escuma, de manera que la peça queda a ras de la superfície de plàstic corbada.

Millores futures

M'agradaria imprimir en 3D alguns connectors que permetin tallar els carrils de guia en segments més petits. Amb segments més petits, també puc emmagatzemar els rails de llançament al quadre. Intentar transportar els rails en longituds de 8 peus (en un Jeep, ni més ni menys) va ser un dolor. A més, tenir-ho tot junt feia que les peces de plàstic fossin propenses a trencar-se (cosa que feien) al cotxe.

Pas 2: cos principal

L'estructura principal del coet es compon de múltiples components idèntics. Els components estan formats per dues ampolles SmartWater d’1,5 L i una ampolla d’aigua Essentia d’1,5 L.

1. Retalleu els fons de les ampolles SmartWater d’1,5 L

   Assegureu-vos de deixar una mica de la part corba. Es tracta d’una superfície més àmplia per a l’adherència de Siaflex

2. Talleu la part superior i inferior d’una ampolla Essentia d’1,5 L
3. Introduïu la part inferior d'una de les ampolles SmartWater tallades dins de l'ampolla Essentia tallada

   Intenteu alinear la part inferior de l'ampolla SmartWater amb el punt mitjà de l'ampolla Essentia

4. Introduïu la part inferior de l'altra ampolla SmartWater a l'altre extrem de l'ampolla Essentia

   Premeu l'ampolla SmartWater cap avall fins que toqui l'altra ampolla SmartWater

Marqueu les ampolles

Marqueu les ampolles per alinear-les amb precisió si cal. (ALERTA DE SPOILER: l'haureu de tornar a muntar més endavant).

Utilitzeu un mètode que us funcioni millor. M’agrada dibuixar algunes marques evidents entre les dues ampolles diferents. Quan el centre s’omple de Sikaflex i no es pot veure on es troben els dos al centre, és una guia més útil.

Enganxar les ampolles

M'agrada recobrir l'interior de l'ampolla Essentia amb una capa de Sikaflex. És un adhesiu excel·lent i també permet una certa expansió. Aquesta és una característica beneficiosa, ja que les ampolles tendeixen a expandir-se quan s’omplen amb aire comprimit. També és beneficiós quan cau a terra (… sí, és probable que en algun moment tingueu un xoc): les ampolles són més fàcils de doblar-se en forma i reutilitzar-les.

Connexió de les seccions

Un cop tingueu totes les seccions enganxades, connecteu-les amb una cosa anomenada "Tornado Tube". AQUEST ÉS EL PUNT MÉS GRAN DE FALLA.

El plàstic de les ampolles i el plàstic dels tubs de tornado és força rígid. No sempre s’ajusten perfectament i pot sortir molt d’aire quan s’omple a un PSI elevat. A més, quan s’utilitzen juntes de mànega de jardí als punts de contacte, hi ha el risc de tensar-se excessivament fins a un punt en què la junta es força forçada a l’interior de l’ampolla. Quan això passa, bàsicament fa que la junta sigui inútil, ja que ja no segella la connexió entre l’ampolla i el tub del tornado.

Tinc previst crear les meves pròpies connexions amb una impressió 3D de doble extrusió. Crec que podria haver-hi una manera senzilla d'imprimir un exterior rígid (per als fils) i un segell flexible al centre (per substituir les juntes de la mànega). Publicaré aquests plans quan estigui complet.

Pas 3: Sistema de recuperació: circuit

La lògica de paracaigudes s’assembla molt a la resta d’escenaris de la vida: es desplega massa aviat i poden passar coses dolentes; sense desplegar-se en absolut, passen coses dolentes.

Volia assegurar-me que el paracaigudes no es desplegés fins que el coet no va començar a caure. Tenint en compte els components que tenia a la meva disposició, vaig optar per utilitzar un sensor de pressió d'aire baromètric que proporcionés una mesura precisa de l'altitud.

Tot el sistema necessita protecció contra els elements. Vaig dissenyar la càrrega útil per adaptar-se als circuits i als sensors. No volia desmuntar-ho tot cada vegada que volia activar o restablir el sistema, així que vaig dissenyar la càrrega útil amb un commutador extern.

Quan el sistema està habilitat, es pren una mesura inicial: aquest és el nostre "nivell del sòl". A mesura que l’altitud del coet augmenta, la nova altitud es guarda i es compara amb la següent mesura. Quan el valor guardat és superior a l'altitud mesurada recentment, se suposa que el coet cau.

Quan es treballa amb el sistema de recuperació a terra, és possible que el paracaigudes es desplegui accidentalment. En realitat, el codi no considera que el coet estigui "volant" fins que l'altitud mesurada estigui com a mínim 1 metre per sobre de la mesura inicial del nivell del sòl presa quan es va engegar el sistema.

Un cop es considera que el coet cau, el paracaigudes es desplega. Això es fa activant el servo connectat prou lluny per desbloquejar el capçal emergent de l’aspersor unit a les parts impreses en 3D. Per descomptat, la molla de l’aspersor va fer sortir el paracaigudes del paraigües, cau a terra, tothom es riu de la seva butz i així successivament.

El circuit estava format per tres parts principals:

1. Arduino
2. Servo
3. Sensor de pressió baromètrica

Arduino

Originalment vaig crear un tauler personalitzat amb un Arduino d’ossos nus. Quan vaig intentar reactivar-lo per a aquest article, vaig decidir deixar de funcionar:

He utilitzat un Arduino Pro Mini, però és una mica excessiu. També és molt més gran que la versió anterior. La mida més gran requeria un redisseny d'algunes parts impreses en 3D; estic segur que hi ha algunes diferències en les parts respecte a les fotos que he publicat (… disculpeu la inconsistència).

Vaig publicar el codi en un dipòsit públic de Github. Comanda LARS.

Servo

El pestell és accionat per un servo SG90 comú. El servo obté la seva potència directament des del regulador de tensió, no a través de l’Arduino.

Sensor de pressió baromètrica

El trencament particular que vaig fer servir en aquest projecte va ser una cosa que vaig trobar a Tindie (… però des de llavors s'ha retirat). Utilitza el sensor MPL3115A2. Això proporciona a Arduino una lectura precisa de l’altitud actual.

Pas 4: Sistema de recuperació: recinte

El sistema de recuperació inclou diversos productes senzills que probablement teniu instal·lats. Per exemple, el paracaigudes està fet d'un paraigua vell i trencat i es desplega amb un ressort comprimit d'un aspersor emergent. Tampoc no sueu les coses petites: he utilitzat un clip per connectar la banya del servo al pestell del cap de l’aspersor. Fins i tot algunes de les matèries primeres que es poden trobar des de llocs aleatoris, com l’extrusió d’alumini que vaig trobar en un contenidor de bona voluntat.

En un altre disseny, he utilitzat uns pals de tanca de fibra de vidre en lloc de l’alumini que es mostra a les imatges. La fibra de vidre s’estava estirant d’un viatge de muntanya (crec) que algú va fer, ja que s’utilitzava per crear una tanca elèctrica improvisada per als cavalls. No és molt important per a aquest disseny, però voleu que penseu en alternatives.

Influències i canvis del disseny

Sabia que algun dia compartiria aquest disseny amb amics i familiars (… no, mai vaig pensar que seria a Instructables, ja). També vaig suposar que no tothom tindria la mateixa marca d’aigua seltzer disponible a la seva botiga local. Tot i que hi ha marge per millorar molt, vaig modificar el meu disseny per permetre que s’adaptessin ampolles de diverses dimensions a la part superior.

La millor manera de pensar per assegurar un ajustament segur però extraïble era utilitzar un material flexible. Introduïu: NinjaFlex … el meu honorable MakerDojo és fort amb da ninja al meu costat.

Amb una impressió de doble extrusió, podria crear una peça amb un fons rígid i una part superior flexible. La part flexible era prou elàstica per prémer dins de l'ampolla i prou forta per aplicar la pressió necessària per mantenir l'ampolla al seu lloc.

Pas 5: Sistema de recuperació: paracaigudes

Aquesta ha de ser una de les meves parts preferides del disseny. Vull dir, vaja, quantes vegades has pensat a surar per tot l'estil de Mary Poppins amb un paraigua? Va ser divertit veure finalment un paraigua que funcionava com un paracaigudes.

Vaig trobar un paraigua en un producte trencat a DICK'S Sporting Goods: els vaig oferir uns quants dòlars i se'ls van emportar. N’he trobat un altre mentre bussejava per contenidors a Goodwill. Per descomptat, vaig trobar un paraigua de golf vell i impressionant a Second Use (a Seattle) després d’aquests altres dos. El paraigua de golf seria tremendament enorme i seria un gran paracaigudes.

Independentment del paraigua que trieu, assegureu-vos que estigui ben fixat al coet. Quan el paracaigudes es desplega, en funció de la mida / pes del coet, la força de l'obertura del paracaigudes podria ser significativa. En el meu cas, he adjuntat un tros de cordó flexible que tenia (… Crec que la meva germana ho tirava de la xarxa de càrrega tronc trencada). Amb aquest cordó bungee al seu lloc, redueix la quantitat d'estrès a les parts de plàstic quan es desplega el paracaigudes.

Pas 6: Visió general de les peces impreses en 3D

Salta a …

1. Muntatge complet
2. Sistema de recuperació de paracaigudes Plunger Thingy
3. Guia de compressió del sistema de recuperació
4. Recuperació del sistema de recuperació de càrrega útil
5. Càrrega útil del sistema de recuperació
6. Adaptador coet d'aigua a Gardena

El ple

Aquest model conté bàsicament tots els altres models, però muntat com seria en producció. Inclou també les parts reutilitzables no impreses en 3D (només com a referència).

Sistema de recuperació de paracaigudes Plunger Thingy

Torna al principi ↑

Guia de compressió del sistema de recuperació

Torna al principi ↑

Recuperació del sistema de recuperació de càrrega útil

Torna al principi ↑

Càrrega útil del sistema de recuperació

Torna al principi ↑

Adaptador coet d'aigua a Gardena

Torna al principi ↑

Pas 7: conclou

Aquí hi ha moltes coses que no he esmentat. Suposo que com més escrivia, més em vaig adonar que m’oblidava de documentar durant el camí. Aquest article va semblar més aviat un encreuament entre un "pas a pas" exhaustiu, però cridant totes les variables perquè pugueu provar-ho pel vostre compte. Per a nosaltres, teníem tants dissenys i mètodes diferents que no funcionaven, però presentaven noves oportunitats d’aprenentatge tant per a mi com per als meus nebots. És una petita aventura fantàstica per començar amb els vostres estudiants i qualsevol altre jove científic incipient.

En definitiva, és un exercici fantàstic de reutilització, creativitat i tecnologia: un exercici fantàstic per als nens i una diversió encara més gran per als pares.

Sigues atrevit, pensa diferent i com sempre deixa que les teves idees destaquin.

Accèssit al concurs de reutilització